BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini dilakukan pembahasan dari sistem controlled rectifier untuk pengaturan kecepatan motor DC dengan menggunkan controller PID yang telah dirancang. Pengujian meliputi pengambilan data simulasi dan implementasi dengan melakukan variasi nilai firing angle dari controlled rectifier dan nilai setpoint dari motor DC yang telah ditentukan. Pembahasan dilakukan untuk data simulasi dan data implementasi. Setelah didapatkan hasil data pengujian, dilakukan pembahasan untuk menganalisis sistem pegendalian kecepatan motor DC yang telah dibuat.
4.1 Pulsa Pembangkitan
Pulse Width Modulation (PWM) merupakan proses perubahan sinyal sebuah gelombang dengan pengaturan besar kecilnya lebar pulsa gelombang. Rangkaian sinyal PWM dalam tugas akhir ini berfungsi sebagai kendali sistem controlled rectifier. Hasil simulasi controlled rectifier menggunakan pembangkitan pulsa PSIM sebagai simulatornya. Gambar 4.1 merupakan rangkaian untuk pembangkit pulsa PWM.
Gambar 4.1 Rangkaian pembangkitan respons pulsa
Untuk sinyal pembangkitan dibutuhkan 2 sinyal, sinyal modulasi dan carrier. Dari kedua sinyal tersebut dibandingkan dengan menggunakan komparator. Gambar 4.2 merupakan hasil respons sinyal keluaran dari output pembangkitan.
36
Gambar 4.2 Respons pulsa output pembangkitan
4.2 Hasil Pengujian Tanpa Controller dengan Matlab
Simulasi ini dilakukan untuk melihat respons sistem closed loop tanpa menggunakan controller. Simulasi tanpa controller ini menggunakan 2 setpoint yang berbeda, yaitu 60 Rpm dan 120 Rpm. Variasi setpoint diberikan untuk mendapatkan perbandingan karakteristik respons transien dan steady-state untuk kecepatan yang berbeda. Hasil simulasi untuk kedua variasi kecepatan tersebut dijelaskan pada subbab 4.2.1 dan 4.2.2
4.2.1. Simulasi Tanpa PID Controller (Setpoint 60 Rpm)
Gambar 4.3 Hasil respons sistem tanpa controller dengan setpoint 60 Rpm
Bedasarkan gambar 4.3, sistem mengalami kondisi transien dengan nilai maximum overshoot sebesar 21,42%. Kecepatan yang didapatkan pada simulasi mencapai kondisi steady-state pada detik ke-12 dengan besar 10 Rpm, dapat dilihat bahwa sistem tidak dapat mencapai nilai setpoint yang diberikan yakni 60 Rpm sehingga didapatkan error steady-state sebesar 84,805%. Dikarenakan respons sistem tidak mencapai nilai setpoint yang diberikan, sistem tidak memiliki nilai rise time. Tabel 4.1 menunjukkan karakteristik respons sistem transien dan steady-state sistem yang terbentuk.
Tabel 4.1 Karakteristik Transien Sistem tanpa Controller (60 Rpm) Karakteristik Transien Nilai
Rise Time -
Overshoot 21,42%
Error Steady State 84,80%
4.2.2 Simulasi Tanpa PID Controller (Setpoint 120 Rpm)
Gambar 4.4 Hasil respons sistem tanpa controller dengan setpoint 120 Rpm
Sistem diberikan nilai setpoint kecepatan sebesar 120 Rpm pada saat simulasi.
Data yang diambil dan digunakan untuk analisis dari hasil respons sistem adalah nilai kecepatan saat kondisi time rise, steady state dan nilai peak. Hasil respons sistem tanpa controller dengan setpoint 120 Rpm ditunjukkan pada Gambar 4.4.
38
Berdasarkan gambar 4.4, sistem mengalami kondisi transien dengan nilai maximum overshoot sebesar 21,338%. Kecepatan yang didapatkan pada simulasi mencapai kondisi steady-state pada detik ke-6,662 dengan besar 18,23 Rpm, sehingga didapatkan error steady-state sebesar 84,8083%. Tabel 4.1 menunjukkan karakteristik respons sistem transien dan steady-state sistem yang terbentuk.
Tabel 4.2 Karakteristik Transien Sistem tanpa Controller (120 Rpm) Karakteristik Transien Nilai
Rise Time -
Overshoot 21,338%
Error Steady State 84,803%
4.3 Hasil Pengujian Controller dengan Matlab
Simulasi ini dilakukan untuk melihat respons sistem dengan menggunakan PID controller. Simulasi juga menggunakan 2 setpoint yang berbeda, yaitu 60 Rpm dan 120 Rpm. Hasil penalaan controller PID dengan trial and error, agar mendapatkan respons sesuai yang diinginkan Karakteristik yang digunakan agar respons motor dengan nilai yang diinginkan menunjukkan kondisi time rise cepat, hal ini dengan memperbesar nilai proporsional (Kp) dan nilai integral (Ki) dan untuk mengurangi error steady-state ditambahkan nilai derivative (Kd). Penalaan trial and error digunakan nilai Kp sebesar 89, Ki sebesar 49 dan Kd sebesar 27.
Hasil simulasi untuk kedua variasi kecepatan tersebut dijelaskan pada subbab 4.3.1 dan 4.3.2
4.3.1 Simulasi dengan PID Controller (Setpoint 60 Rpm)
Steady State
Rise Time
Overshoot
Gambar 4.5 Hasil respons sistem PID controller pada setpoint 60 Rpm
Simulasi ini dilakukan untuk melihat respons kecepatan sistem dengan menggunakan PID controller dengan setpoint sebesar 60 Rpm. Gambar 4.5 menunjukkan respons kecepatan yang terbentuk.
Berdasarkan gambar 4.5 didapatkan hasil berupa spesifikasi respons transien dimana sistem mengalami maximum overshoot sebesar 6,28%. Sistem mengalami kondisi steady state pada detik ke-7,32 detik dengan rise time sebesar 0,84 detik.
Tabel 4.3 Karakteristik Transien dan Steady-State dengan PID Controller (60 rpm) Karakteristik Transien Nilai
Rise Time 0,84 detik
Overshoot 41,71%
Steady State 7,32
Error Steady State 0%
4.3.2 Simulasi dengan PID Controller (Setpoint 120 Rpm)
160
80
40 120
0
Kecepatan (Rpm)
Waktu (Detik)
Steady State
Overshoot
Rise Time
Gambar 4.6 Hasil respons dengan PID controller pada setpoint 120 Rpm
Simulasi ini dilakukan untuk melihat respons kecepatan sistem tanpa menggunakan controller dengan setpoint sebesar 120 Rpm. Gambar 4.6 menunjukkan respons kecepatan yang terbentuk
Berdasarkan gambar 4.6 didapatkan hasil berupa spesifikasi respons transien dimana sistem mengalami maximum overshoot sebesar 41,70%. Sistem mengalami kondisi steady state pada detik ke-7,45 detik dengan rise time sebesar 0,87 detik.
40
Tabel 4.4 menunjukkan karakteristik respons sistem transien dan steady-state sistem yang terbentuk.
Tabel 4.4 Karakteristik Transien dan Steady-State dengan PID Controller (120rpm) Karakteristik Transien Nilai
Rise Time 0,87 detik
Overshoot 41,70%
Steady State 7,45 detik
Error Steady State 0%
4.4 Hasil Simulasi dengan PSIM
SCR yang digunakan pada rangkaian fullwave controlled rectifier membutuhkan sebuah sinyal masukan. Sinyal masukan yang digunakan berupa pulsa PWM dari mikrokontroler. Sinyal tersebut digunakan untuk mengaktifkan gate yang terdapat pada SCR. Pulsa pembangkitan PWM yang digunakan untuk sinyal masukan terdapat pada gambar 4.7.
Waktu (Detik)
Amplitudo
Gambar 4.7 Respons pulsa pembangkitan dengan duty cycle 45
Dari persaman duty cycle maka diperoleh waktu penyalaan pulsa untuk mengaktifkan SCR 0.45s. Hal tersebut mempengaruhi respons tegangan keluaran yang dihasilkan oleh fullwave controlled rectifier. Respons dari simulasi PSIM menghasilkan besar tegangan DC sebesar 7,633 volt dc. Hasil dengan menggunakan persamaan 2.13 besar tegangan yang dihasilkan sebesar 7,64. Dari kedua respons tersebut nilai tegangan yang dihasilkan sama. Respons tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.8.
Tegangan (Volt)
Waktu (Detik)
Gambar 4.8 Respons nilai tegangan dengan duty cycle 45
4.5 Respons Kecepatan Sistem
Respons kecepatan sistem dilakukan dengan variasi kecepatan 60 Rpm dan 120 Rpm. Respons kecepatan dari sistem dengan setpoint 60 Rpm dapat dilihat pada Gambar4.9.
Setpoint
Kecepatan (Rpm)
Waktu (Detik)
Gambar 4.9 Respons kecepatan dengan setpoint 60 Rpm
Respons sistem dengan setpoint 60 Rpm. Hasil respons sistem dapat dilihat pada Gambar 4.9. Nilai steady state 0.3 detik dan respons tegangan yang dihasilkan masih terdapat ripple . Hal ini terjadi karena tidak adanya komponen kapasitor pada rangkaian fullwave controlled rectifier.
Respons sistem dengan setpoint 120 Rpm, nilai steady state 1 detik.
Respons tegangan yang dihasilkan masih terdapat ripple . Hal ini terjadi karena tidak adanya komponen kapasitor pada rangkaian fullwave controlled rectifier.
Hasil respons sistem dapat dilihat pada Gambar 4.10.
42
Set Point
Waktu (Detik)
Kecepatan (Rpm)
Gambar 4.10 Respons kecepatan dengan setpoint 120 Rpm
4.6 Hasil Pengujian Prototype 4.6.1 Prototype Tanpa Controller A. Tanpa Controller Setpoint 60 Rpm
Hasil fullwave controlled rectifier prototype dapat ditunjukkan pada Gambar 4.11.
Gambar 4.11 Hasil respons sistem tanpa controller dengan setpoint 60 Rpm Respons sistem pada prototype tanpa controller didapatkan hasil respons kecepatan dapat mencapai set point. Dari hasil pengambilan data didapatkan nilai kecepatan yang masih berisolasi. Nilai kecepatan yang didapatakan hasil rata-rata 56,03 Rpm.
B. Tanpa Controller Setpoint 120 Rpm
Hasil fullwave controlled rectifier prototype dapat ditunjukkan pada Gambar 4.12. Respons sistem pada prototype tanpa controller didapatkan hasil respons kecepatan tidak dapat mencapai set point yang telah ditentukan.
0 20 40 60 80
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Implementasi
Waktu
Implementasi SETPOINTSetpoint
Gambar 4.12 Hasil respons sistem tanpa controller dengan setpoint 120 Rpm
Dari hasil pengambilan data didapatkan nilai kecepatan yang masih berisolasi.
Nilai kecepatan yang didapatakan hasil rata-rata 59,55 Rpm. Hal ini menghasilkan nilai kecepatan jauh dari set point.
4.6.2 Prototype Dengan Controller A. Dengan Controller Setpoint 60 Rpm
Hasil respons Prototype dengan controller pada setpoint 60 Rpm dapat dilihat pada Gambar 4.13. Hasil respons prototype dapat mencapai nilai setpoint yaitu 60 Rpm.
Gambar 4.13 Prototype dengan controller pada setpoint 60 Rpm 0
20 40 60 80 100 120
0 20 40 60 80 100 120
Kecepatan
Waktu
Implementasi SETPOINT
0 10 20 30 40 50 60 70
0 20 40 60 80 100 120
Implementasi
Waktu
Implementasi SETPOINT
Setpoint
Setpoint Setpoint
44
Dari hasil pengambilan data didapatkan nilai kecepatan yang masih berisolasi.
Nilai kecepatan yang didapatakan hasil rata-rata 59,9 Rpm. Hal ini menghasilkan nilai kecepatan mencapai set point.
B. Dengan Controller Setpoint 120 Rpm
Hasil respons Prototype dengan controller pada setpoint 120 Rpm dapat dilihat pada Gambar 4.13. Hasil respons prototype tidak dapat mencapai nilai setpoint. Respons yang dihasilkan pada kecepatan 120 Rpm.
Gambar 4.14 Prototype dengan controller pada setpoint 120 Rpm
Dari hasil pengambilan data didapatkan nilai kecepatan yang masih berisolasi. Nilai kecepatan yang didapatakan hasil rata-rata 61,02 Rpm. Hal ini menghasilkan nilai kecepatan tidak mencapai set point.
4.7 Analisis Perbandingan Simulasi dan Prototype
Hasil simulasi dilakukan tanpa menggunakan controller dan dengan menggunakan controller. Simulasi dilakukan tanpa menggunakan controller didapatkan hasil tidak dapat mencapai set point. Tanpa menggunakan controller tersebut diaplikasikan pada prototype. Dilakukan variasi kecepatan yaitu 60 Rpm dan 120 Rpm. Dari hasil prototype didapatkan nilai dari kecepatan 60 Rpm dan 120 Rpm tidak dapat mencapai nilai setpoint.
0 20 40 60 80 100 120 140
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Implementasi
Waktu
IMPLEMENTASIImplementasi SETPOINTSetpoint
Simulasi dengan menggunakan controller didapatkan nilai controller PID untuk menghasilkan respons yang diinginkan. Dengan trial dan error didapatkan nilai Kp 89 , Kd 49 dan Ki adalah 27. Nilai PID dalam simulasi dapat mencapai nilai setpoint pada waktu 0,84 detik. Dengan menggunakan nilai PID tersebut diterapkan pada prototype. Hasil sistem dengan prototype dapat dikatakan belum berhasil. Hal tersebut dilihat pada respons sistem prototype dengan diberikan variasi nilai kecepatan sebagai setpoint yaitu 60 Rpm dan 120 Rpm, namun tidak ada perubahan nilai.
Dari hasil pengujian prototype tanpa menggunakan controller dan dengan menggunakan controller, rangkaian fullwave controlled rectifier pada penelitian tugas akhir ini terbukti hanya dapat mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC.
Namun dari hasil pengujian prototype didapatkan pula hasil sistem yang tidak dapat mengikuti perubahan nilai setpoint yang diberikan berupa kecepatan.
Tidak mencapainya nilai setpoint yang diharapkan dikarenakan tidak adanya rangkaian penguat. Rangkaian penguat ini merupakan berupa tegangan DC. Nilai sinyal PWM yang dibangkitkan oleh mikrokontroler akan dikuatakan oleh rangkaian penguat sehingga besar tegangan yang dihasilkan tergantung dari besar duty cycle yang dibangkitkan. Sinyal PWM berpengaruh pada nilai besar tegangan yang dihasilkan rangkaian penguat dimasukkan ke pin mikrokontroler sehingga dapat dibangkitkan pulsa penyalaan untuk rangkaian controlled rectifier. Hal ini berdasarkan penelitian yang telah dilakukan oleh penelitian sebelumnya (Nataliana, 2016)
Rangkaian fullwave controlled rectifier menghasilkan tegangan ripple. Ripple disebabkan perubahan dari tegangan bolak-balik yang kemudian disearahkan. Hal ini terbukti dari keluaran sistem yang diukur menggunakan oscilloscope. Hasil keluaran dapat dilihat pada Gambar 4.15 dan 4.16. Adanya ripple ini dikarenakan tidak adanya komponen dioda freewhelling. Fungsi dioda freewhelling mulai on pada saat rectifier tidak lagi beroperasi untuk menghasilkan tegangan yang searah, namun akan terjadi pembuangan energi dalam bentuk arus oleh beban yang bersifat induktif tinggi. Adanya dioda freewhelling arus pembuangan dari beban dapat disirkulasikan kembali pada motor. Sehingga kontinuitas dari arus beban dapat terjaga, sehingga kontinuitas arus yang mengalir menjadi stabil (Nataliana, 2016).
46
(a)
(b)
Gambar 4. 15 Grafik pengukuran tegangan keluaran sistem dengan controller pada : (a) Setpoint 60 Rpm (b) Setpoint 120 Rpm
Gambar 4.15 (a) dan (b) merupakan hasil keluaran osciloscope dari prototype. Didapatkan bentuk gelombang yang osilasi dengan nilai yang sama pada osciloscope.
(a)
(b)
Gambar 4.16 Grafik pengukuran tegangan keluaran sistem tanpa controller pada : (a) Setpoint 60 Rpm (b) Setpoint 120 Rpm
Gambar 4.16 (a) dan (b) didapatkan hasil yang sama dengan gambar Gambar 4.15 (a) dan (b). Hasil keluaran osciloscope dari prototype didapatkan bentuk gelombang yang osilasi dengan nilai yang sama pada osciloscope.
